Пищевая ценность хлебобулочных изделий

• растворение целевого компонента (компонентов);

•  перенос экстрагируемого вещества изнутри частицы растительного сырья к поверхности раздела фаз (молекулярная диффузия);

•  перенос экстрагируемого вещества от поверхности раздела фаз и распределение его по всей массе экстрагента (конвективная диффузия).

При экстрагировании  растворимых веществ из ткани  растительного сырья обычно не все  четыре стадии процесса имеют место, либо не все играют существенную роль.

Количество  извлеченного посредством молекулярной диффузии вещества S, кг определяется уравнением:

Под молекулярной диффузией понимается перенос вещества в виде отдельных его молекул.

Сразу после  соприкосновения растворителя и  экстрагируемого вещества они начинают смешиваться: молекулы экстрагируемого  вещества в процессе его беспорядочного теплового движения будут переходить в растворитель и, наоборот, молекулы растворителя будут переходить в  среду экстрагируемого вещества (например, в растительную клетку) и  растворять его.

Чем больше разность концентраций экстрагируемого вещества в клетке и растворителе, тем интенсивнее  происходит диффузия. Кроме того, чем  больше поверхность соприкосновения  экстрагируемого вещества с растворителем и длительность соприкосновения, тем большее количество вещества будет диффундировать в единицу времени в данной системе.

Таким образом, становится понятным основное уравнение  диффузии; количество вещества ds, диффундирующего  из концентрированного раствора через  данное сечение, пропорционально размеру  данного сечения F, пропорционально  градиенту (падению) концентрации dc/dx в  направлении, перпендикулярном к этому  сечению (разность концентрации на единицу  длины пути), и пропорционально  времени dT:

Формула (2) представляет собой математическое выражение  закона Шукарева-Фика.

Это уравнение  верно для стационарного процесса диффузии, т.е. процесса диффузии при  постоянном градиенте концентрации. Практически процесс диффузии в  ходе экстракции является нестационарным (градиент концентрации изменяется), поэтому  приведенное уравнение верно  лишь для каждого данного момента  экстракции.

Коэффициент диффузии представляет собой количество вещества, переносимое в единицу  времени через единицу поверхности  при градиенте концентрации равном единице. Он представляет физическую характеристику, определяющую способность этого  вещества проникать в ту или иную среду. Зависимость коэффициента диффузии в растворе от температуры, вязкости растворителя и размера частиц может  быть представлена формулой Эйнштейна:

Под конвективной диффузией понимается перенос вещества в виде отдельных небольших объемов  его раствора. Чем больше по величине эти объемы, переносимые конвекцией, чем больше количество этих объемов  в единицу времени на единицу  поверхности, через которую проходит диффузия, тем интенсивнее перенос  вещества в ходе конвективной диффузии. Для конвективной диффузии, так же как и для молекулярной, важна  разность концентраций: чем больше разность концентраций, тем более  эффективным будет перенос отдельных  объемов из более концентрированной  в менее концентрированную область  в отношении уравнивания концентраций в обеих областях.

Количество  вещества, извлеченного посредством  конвективной диффузии S, кг, определяется уравнением:

Значения  т, F, С2 те же, что и в уравнении (1). Величину у учитывают из соотношения: Dн/y=В,

где В-коэффициент  массоотдачи, м/с.

Сам процесс  экстракции в своей основе состоит  из диффузионных процессов - молекулярной и конвективной диффузии, поэтому  почленное сложение этих двух величин  дало общее уравнение диффузии при  экстракции:

I

При оценке влияния  факторов молекулярной и конвективной диффузии исходят из соотношения:

Для выяснения  преобладания молекулярной или конвективной диффузии при экстрагировании исходят  из следующих положений:

1 .Когда критерий  Био близок к нулю, преобладает  конвективная диффузия и количество  экстрагированного вещества определяется  по уравнению (4). Это происходит  при экстрагировании из твердых  тел перколяцией, частично реперколяцией,  при воздействии высокочастотных  вибраций.

2.Если критерий  Био более 50, то основное значение  приобретает молекулярная диффузия. Это условие соответствует

экстрагированию твердых тел мацерацией, а также  соответствует мацерации (настаиванию) при перколяции и реперколяции.

16 ЭКСТРАКЦИЯ

16.1.Сущность  процесса экстракции

Экстракцией называется процесс избирательного извлечения компонентов жидкой (или  твердой) фазы при помощи растворителя. В растворителе хорошо растворяются извлекаемые компоненты и мало растворяются остальные компоненты. Поэтому растворитель называется избирательным или селективным.

В нефтепереработке широко применяют процессы экстракции в системе

жидкость-жидкость при очистке масел, дизельного топлива, извлечении ароматических углеводородов.

При контакте с избирательным растворителем  образуются два раствора: экстрактный, содержащий извлеченные компоненты и рафинатный, содержащий неизвлеченные  компоненты. Эти два компонента образуют расслаивающуюся систему, поэтому  их можно разделить отстаиванием.

При экстракции извлекаемый компонент (или смесь  нескольких компонентов) распределяются между образующимися при экстракции экстрактным и рафинатным растворами согласно закону равновесия:

(66)

где -  x₁ и x₂ концентрация растворенного вещества соответственно в одной и другой жидкой фазах;

K- коэффициент распределения.

Коэффициент распределения зависит от природы  исходной смеси и растворителя, состава  смеси и температуры. Обычно с  повышением температуры растворимость  в обеих фазах возрастает, и  при некоторой температуре образуется однородный раствор, эта температура  называется критической температурой растворения ( КТР ). Поэтому рабочая  температура процесса должна быть ниже КТР.

В промышленных условиях для экстракции используются такие растворители, как фенол, фурфурол, воду, бензол, диэтиленгликоль,, пропан, и др.

Выбор растворителя определяется его избирательностью и растворяющей способностью. Чем  больше избирательность растворителя, тем более четко разделяются  компоненты. Более избирательный  растворитель имеет большую величину коэффициента распределения К. При увеличении растворяющей способности растворяется больше извлекаемых компонентов, т.е. снижается расход растворителя. Повышение растворяющей способности обычно связано с уменьшением избирательности растворителя.

Для создания внутренней циркуляции потоков в  экстракционных колоннах и повышения  четкости экстракции поддерживается температурный  градиент экстракции, т.е. температура  рафинатной зоны (верх экстракционной колонны) выше температуры экстрактной  зоны (низ колонны). Температурный  градиент, который в большинстве  случаев составляет от 5 до 30 ^оС, создается путем подачи в экстрактор сырья и растворителя с разными температурами, а также рециркуляцией части охлажденного экстрактного раствора.

В процессе экстракции могут быть выделены три основных составляющих (условных компонента): избирательный  растворитель, извлекаемые компоненты и неизвлекаемые компоненты. Поэтому  для расчета процесса экстракции нашли широкое применение треугольные  диаграммы. После отделения растворителя от экстрактного раствора получают экстракт, а от рафинатного раствора - рафинат.

Требования  к экстрагентам

1.     Высокая селективность

2.     Нормальная растворяющая способность

3.     Большая разность плотностей в зоне вывода экстрактного раствора ( +0,2)

4.     Большая разность температур кипения для экстрагента и и сырьевых компонентов ( 70оС +), что облегчает выделение циркулирующего экстрагента

5.     Большое значение коэффициента поверхностного натяжения, чтобы избежать образования стойкой эмульсии

6.     Химическая стойкость

7.     Малая теплота испарения, если регенерация экстрагента идет ректификацией

8.     Малая токсичность

16.2 Основные методы  экстрагирования

Любой процесс  экстрагирования включает следующие  стадии:

·     смешение растворителя и сырья с целью их контактирования;

·     разделение образовавшихся рафинатного и эктрактного растворов.

Причем экстрактный  раствор обычно отпаривается ректификацией (т.к. компоненты растворимы и отличаются температурами кипения). Рафинатный раствор обычно промывается, т.к. компоненты малорастворимые.

Поэтому одна ступень экстракции состоит из смесителя  и отстойника, реализуемых в разных конструктивных модификациях.

Различают следующие  разновидности процесса экстракции:

·     однократная экстракция (рисунок 16.1, а) сырье обрабатывается однократно всем количеством растворителя с последующим разделением на рафинатный и экстрактный растворы;

·     многократная экстракция - исходное сырье и рафинатные растворы обрабатываются в каждой ступени соответствующей порцией свежего растворителя (рисунок 16.1, б) ;

·     противоточная экстракция - многократное противоточное контактирование рафинатных и экстрактных растворов смежных ступеней (рисунок 16.1, в).

Противоточная экстракция может осуществляется в  нескольких аппаратах типа смеситель-отстойник  или в аппарате колонного типа (рисунок 16.1, г). Противоточная экстракция обеспечивает хорошее разделение при  высоком выходе рафината, в то время  как при многократной экстракции выход рафината высокого качества невелик. Однократную экстракцию используют для грубого разделения смеси.

Треугольная диаграмма и ее основные свойства.

В процессе экстракции можно рассматривать три условных компонента: растворитель, экстрагируемые компоненты и неизвлекаемые компоненты. Для представления составов такой  тройной смеси используют треугольную  диаграмму (рисунок 16.2), представляющую собой равносторонний треугольник, каждая вершина которого отвечает условному  компоненту, а концентрации этих компонентов  откладываются на сторонах треугольника. Вершина L отвечает растворителю, A -неизвлекаемым компонентам, B -извлекаемым. Поскольку при экстракции давление практически не влияет на объем жидкой фазы, а правило аддитивности объемов хорошо выполняется при смешении, потоки могут быть выражены как массовых, так и в объемных единицах. Тогда концентрации компонентов соответствующих компонентов будут равны:

( 67)

( 68)

В равностороннем треугольнике сумма длин перпендикуляров, опущенных из произвольной точки, лежащей  внутри треугольника, на его стороны, равна высоте треугольника. Если принять  высоту треугольника за единицу, то длины  отрезков  a .  b и  l будут выражать состав смеси в долях единицы.

Любая смесь  трех компонентов отвечает точке  внутри треугольника (например, точка  N), двойная смесь отвечает точке на сторонах треугольника. Например, смесь компонентов А и В представлена точкой F на стороне АВ.

Вершины треугольника соответствуют концентрациям чистых компонентов.

Рис. 16.2. Треугольная диаграмма.

На поле треугольной  диаграммы отложена бинодальная  кривая, отвечающая равновесным рафинатным м экстрактным растворам . Прямая RS, связывающая точки равновесных  составов на бинодальной кривой, называется конодой. Область, охватываемая бинодальной  кривой, отвечает расслаивающимся растворам, область вне этой кривой- гомогенным растворам. Таким образом, при экстракции составы растворов не должны выходить за пределы области. Треугольная  диаграмма обладает следующим основным свойством, которое вытекает из материальный баланса смешения. Если при смешении двух систем R и S получается новая система N, то точка характеризующая все  три системы, располагается на одной  прямой. При этом точка N располагается  между точками R и S на расстояниях, обратно  пропорциональных массам ( объемам) исходных систем R и S , т.е. RS отрезок пропорционален массе системы N , отрезок RN - массе  системы S, а отрезок SN - массе системы R